JP4245132B2 - トリガ及びリゾルバ信号の評価に使用される単一制御システムに回転の配向から導出された信号を供給することによりモータの回転の配向を評価する方法及び装置並びに該装置が設けられている自動車 - Google Patents

トリガ及びリゾルバ信号の評価に使用される単一制御システムに回転の配向から導出された信号を供給することによりモータの回転の配向を評価する方法及び装置並びに該装置が設けられている自動車 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの回転の配向を評価する方法及び装置、並びにこの装置が設けられている自動車に関する。
【0002】
【従来の技術】
多くの目的のためにそのような評価は正確でなければならず、一方では廉価なセットアップであることがさらに必要とされる。特定ではあるが制限するわけでもない適用の分野は自動車工業であり、さらには特に以下のようなものに使用されている種々のモータに関連して適用される。すなわち、電気的に支援される車両のステアリング(パワーステアリング)、水冷式冷却機能、空気制御、横揺れの安定化、チョーク制御、及びスタータジェネレータのような他の2次機能である。最後の適用はその電界指向制御(field−oriented control)のために良好な結果が要求される。
【0003】
譲受人に譲渡されており、また引用によって組み込まれている、出願済みの特許明細書DE100 57 674.5(4794USに対応)は、ステアリングギアラックの移動を測定することによる目下のステアリング角度の評価に関する。本発明は、しばしばそのようなラックが設けられていない適用のより多くの汎用的な分野に使用されることを予定し、さらには、殊に外部の電気チップの費用を大幅に節約する。注目に値することは、配向の角度の早期の評価は、集積回路チップである外部の電気機能部を使用することにより行われる。
【0004】
【特許文献1】
ドイツ連邦共和国特許(DE)第10057674.5号明細書
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、所期のトリガ及び次に使用するリゾルバ信号の評価を行う単一制御機能部に供給される、回転の配向から検出信号を生成するレゾルバ機能部を使用する方法を提供することである。この方法が実現される装置を提供することである。さらにこの装置が備えられている自動車を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
方法に関する課題は、回転の配向から導出されたリゾルバ信号を使用し、リゾルバ信号を、トリガ及びリゾルバ信号の評価を行う単一制御システムにのみ供給することによって解決される。装置に関する課題は、回転の配向から導出された信号を出力するリゾルバ信号出力部が備えられているリゾルバ機能部を有し、リゾルバ信号を単一制御システムにのみ供給する供給結合部を有し、単一制御システムはトリガ用のトリガ出力部と、前記リゾルバ信号を評価するための評価信号を受信する評価入力側とを備えることによって解決される。自動車に関する課題は、本発明による方法を実現する装置を設けることによって解決される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の側面の1つによれば、本発明ではそのようなリゾルバ信号は単一制御システムにのみ供給され、この制御システムはさらにトリガ及びリゾルバ信号の評価のために設けられている。
【0008】
本発明による方法では、有利にはこのような制御システムはマイクロコントローラまたはディジタルシグナルプロセッサである。
【0009】
本発明の別の側面によれば、このような方法は有利には自動車に適用することができ、殊にさらには、電気的に支援されるそのような車両のステアリング角度機能部(「パワーステアリング」)、回転制御機能部、流体式冷却機能部、空気制御機能部、モータチョーク機能部及び/又は車両スタータジェネレータ機能部の内のいずれか1つまたは複数に適用することができる。
【0010】
本発明はまた、モータの回転の配向を検出するための請求項1に記載されている方法を実現するために設けられた、リゾルバ信号から導出される信号を出力するためのリゾルバ信号出力部を備えたリゾルバ機能部を有する装置にも関する。
【0011】
本発明によればこのような装置には、リゾルバ信号を単一制御システムにのみ供給する供給結合部が提供されており、この制御システムはトリガ用のトリガ出力部と、リゾルバ信号を評価するために評価信号を受信する評価入力部とを有する。
【0012】
本発明によるそのような装置の実施形態では、有利にはシステムがマイクロコントローラまたはディジタルシグナルプロセッサ(以下ではマイクロコントローラ)を有し、このマイクロコントローラはリゾルバ機能部から少なくとも2つの出力信号を並行して受信し、またリゾルバに対するトリガ信号を供給するための信号出力部を有する。
【0013】
択一的に本発明による装置には、2つの出力信号が供給されるアナログ・ディジタル変換器を有するマイクロコントローラが設けられている。
【0014】
本発明の別の有利な側面によれば、本発明による装置では有利にはリゾルバ信号用の評価機能部はトラッキング機能部を有する。
【0015】
本発明による装置の実施形態では、マイクロコントローラ出力信号を生成するタイマユニットに案内されるクロック発生器ユニットを有するマイクロコントローラが設けられており、さらにクロック発生器ユニットとタイマユニットは共にアナログ・ディジタル変換器に案内される。
【0016】
本発明による装置の別の実施形態では、マイクロコントローラ出力信号を生成するパルス幅変調器ユニットに案内されるクロック発生器ユニットを備えたマイクロコントローラが設けられており、さらにクロック発生器ユニットとパルス幅変調器ユニットは共にアナログ・ディジタル変換器に案内される。
【0017】
本発明による装置のさらに別の実施形態では、マイクロコントローラ出力信号を生成するディジタル・アナログ変換器に案内されるクロック発生器ユニットを備えたマイクロコントローラが設けられており、クロック発生器ユニットはさらにアナログ・ディジタル変換器に案内される。
【0018】
本発明の上述の実施形態では、クロック発生器ユニットは位相同期ループ(PLL)を使用する。
【0019】
本発明では有利には、トラッキングプロシージャを実行することによりリゾルバ出力信号を評価する評価ユニットが設けられている。
【0020】
このトラッキングプロシージャは有利には次式を基礎としている。すなわちF(s)=Φ(s)/φ(s)=K*(1+K*s)/(s+K*K*s+K)。ここでΦは算出された回転子角度であり、φは目下の回転子角度であり、K及びKはフィルタパラメータであり、sは複素周波数である。
【0021】
本発明による装置の実施形態では、さらに、リゾルバ出力信号の位相ずれを補償する位相ずれ補償機能部を備えたマイクロコントローラが設けられている。
【0022】
本発明の有利な側面によれば、上述のアナログ・ディジタル変換器はリゾルバ出力信号に関する並行走査機能部として動作するために設けられている。
【0023】
アナログ・ディジタル変換器は有利には、それぞれの信号インタコネクションに対する干渉信号を相殺する補正測度としてのリゾルバ出力信号に関する種々の処理を実行するために設けられている。
【0024】
本発明はさらに本発明による装置が設けられている自動車に関する。
【0025】
本発明のさらに有利な側面は従属請求項に記載されている。
【0026】
本発明のこれらの側面及び利点、また別の側面及び利点を図面に基づき以下詳細に説明する。
【0027】
【実施例】
図1は、リゾルバ機能部の機能図を示す。このようなリゾルバは、電気式駆動モータの回転子の配向が高度の分解能及び正確度でもって監視されなければならない所で使用されている。単独でそのようなリゾルバは自己回転式変換器と見なすことができる。要求される入力信号は正弦波であり、並行の2つの出力信号は振幅変調された信号であり、これらの信号は直交を構成するためにそれぞれが正弦波及び余弦波として表される。原則として、2つ以上の出力検出コイルを使用することはもちろん、他の配向も考えられる。リゾルバに対する入力信号も、リゾルバからの出力信号も電気駆動システムにおいて、Analog Devices,Incによって製造されたビルディングブロックAS2S1000のような、アナログまたはディジタル評価装置によって処理される。本発明によれば、リゾルバへの入力信号も、リゾルバからの出力信号もディジタルシグナルプロセッサ(DSP)またはマイクロコントローラによってのみ処理される。例えば、評価はいわゆるトラッキング方法論(tracking methodology)を使用する。
【0028】
さて図1に示したリゾルバは、角位置φと角速度dφ/dtの両方を監視するために使用することができる。図示したように、メイン検出素子は検出コイル28,30であり、これらの検出コイルは回転部26の周囲において円半径方向の配向で位置づけられている。中央の回転部26は回転軸に固定されており、端子20における励起部と検出コイル28,30との間の結合素子を構成する。図1の右側においてその上部に示されている励起信号は、正弦及び余弦コイルにおいてそれぞれ変調される信号を誘導し、これらの信号はそれぞれ正弦波及び余弦波の変化を持つ振幅を有する。2つの信号の包絡線は実質的に100%の変調の深さを有する。回転部は、図示したように一次コイルとして実施することができる。他の実現形態では固定の誘導コイルを有するが、そのような場合回転部は角度的な可変結合係数を持つ誘導結合器を形成すべきである。
【0029】
図2は、トラッキング(ドイツ語:Nachlauf)原理によるリゾルバ出力信号の評価を示す。励起機能部38を有するリゾルバ機能部36及び瞬時の角位置φが明示されている。図示したように、リゾルバ出力はAsin(φ)及びAcos(φ)であり、これらの出力は乗算器40及び42に供給される。出力Asin(φ)及びAcos(φ)は、変調されたリゾルバ信号Asin(ωt)*sin(φ)及びAsin(ωt)*cos(φ)から搬送信号Asin(ωt)の最大値または最小値にこれらの信号を正確にサンプリングすることによって取得され、ここでωはこの信号の角周波数であり、tは時間である。標準的な計算方法によって行われる減算器44での2つの積Asin(φ)及びAcos(φ)の減算により、角度モニタ46への入力が形成され、この角度モニタ46はさらに関数発生器48,50を用いて量sin(Φ)及びcos(Φ)をそれぞれ出力し、2つの乗算器40,42に供給される。正弦波励起電圧は次のように表せる。
【0030】
【数1】
Figure 0004245132
【0031】
ここで、継時的な量は励起電圧、励起振幅、励起信号の角周波数、時間及び位相ずれ角度である。後者は幾何学的実現の特性である。
【0032】
計算において、Φは算出された回転角度であり、したがって(φ−Φ)は偏差であり、零値になるように制御されなければならない。ここでsin(φ−Φ)は、差(φ−Φ)が小さい値である場合に(φ−Φ)によって近似される。
【0033】
図3は、マイクロコントローラ52を使用する信号の生成の実施形態を示し、このマイクロコントローラ52はタイマユニット72及びアナログ・ディジタル変換器68を有する。リゾルバ36は、アナログ・ディジタル変換器68に至る2つの出力信号のための2つの出力接続部組60/62及び64/66を有する。位相同期ループを使用するクロック発生器ユニット70によって供給される、タイマユニット72内の詳細には図示していない内部カウンタは周波数分割器として使用され、内部マイクロコントローラバスから50%のデューティサイクル及び励起に対して適切な周波数を有する2値ブロック信号を生成する。タイマユニット72の出力ピン54と接続されているローパスフィルタ56では、ベース周波数が2値信号からフィルタリングされ、低出力インピーダンスでバッファまたは増幅器58を介してリゾルバ36の励起コイルに印加される。フィルタリングは一定の位相遅延を惹起する。これは同様に、マイクロコントローラ52への2次出力信号における位相ずれを惹起する。
【0034】
マイクロコントローラ52を、プロセッサ、プログラムROM、データRAM、メモリ管理部、これらの素子間のインタコネクション及び外部通信機能部が設けられている慣例のビルディングブロックとすることができる。他の種々の機能を付加的に設けることも可能であり、当業者は必要とされる角度の時間的且つ空間的な分解能を考慮して、また場合によっては、該当する装置が実行すべき別のタスクを考慮して、このような商業的に入手可能な製品を適宜選択する。またマイクロコントローラのプログラミングもそれ自体は簡単なものである。択一的に、商業的に入手可能なビルディングブロック、ディジタルシグナルプロセッサをマイクロコントローラの代わりに使用することもできる。簡潔にするためまた便宜上、以下の記述ではマイクロコントローラに関して言及する。この言及はディジタルシグナルプロセッサも包含するものとする。
【0035】
図4は、図3に図示したタイマモジュール及びリゾルバからの出力信号を示す。位相遅延を補償するために、タイマモジュールの別のカウンタ(簡潔にするために図示していない)は、遅延を調整することができる遅延トリガを有する単安定フリップフロップとして駆動する。信号の上昇エッジはアナログ・ディジタル変換器を制御するために使用される。これはタイマモジュール72によってトリガされ得るアナログ・ディジタル変換器を有するマイクロコントローラを使用することの必要性を強調する。単安定フリップフロップ出力のパルス幅は重要ではないが、マイクロコントローラによる要求に応じたインターバルにのみ存在すべきである。最大値でのリゾルバ信号の検出は、該当する信号を復調するために必要である。したがって、アナログ・ディジタル変換器は即座に、復調された信号sin(φ)及びcos(φ)をそれぞれ形成する。図4に示した継時的な曲線は、タイマモジュールの出力ピンにおける信号71、リゾルバの入力側における信号73、リゾルバの正弦出力側における信号75、リゾルバの余弦出力側における信号77及びAD変換器の同期入力側における信号79を表す。
【0036】
図5は、マイクロコントローラ74における信号の生成を示し、このマイクロコントローラ74はPLLユニット70及びパルス幅変調器ユニット76を有する。ここで同一の構成素子には図3と同一の参照記号を付している。PWMユニット76を介して、間接的に正弦波電圧が変調される。PWM信号のパルス幅は、生成される励起信号の振幅と共に変化する。一方では、マイクロコントローラ74において必要とされる計算量は幾分多くなる。他方では、アナログローパスフィルタ56に対する要求は前述のものよりも少なくなる。この実施形態においては、マイクロコントローラ74は有利には、PWMモジュール76によってアナログ・ディジタル変換器へトリガ信号を供給する。
【0037】
図6は、パルス幅変調器及びリゾルバからの出力信号を示す。励起周波数の生成に関する入力信号の変換における遅延は、PWMモジュールによっても惹起される。変換は、最大値に到達後にn個の所定数のパルスに達すると直ぐに開始される。これはリゾルバ信号を復調する。図6における継時的な曲線は、PWMモジュールの出力ピンにおける信号81、リゾルバの入力側における信号83、リゾルバの正弦出力側における信号85、リゾルバの余弦出力側における信号87及びAD変換器の同期入力側における信号89を表す。
【0038】
図7は、マイクロコントローラ90における信号の生成を示し、このマイクロコントローラ90は図5に対応する種々の素子に付加的にディジタル・アナログ変換器92を有する。ここでもまた同一の素子には同一の参照記号を付している。ここで、励起電圧は直接にディジタル・アナログ変換器を介して出力される。これはフィルタ56における信号のフィルタリングに対する要求をさらに低減する。マイクロコントローラのソフトウェアは、ディジタル・アナログ変換器による励起電圧の生成の開始及び本来のアナログ・ディジタル変換器の操作の変換を提供しなければならない。
【0039】
図8は、ディジタル・アナログ変換器92及びリゾルバ92からの出力信号を示す。この図面における継時的な曲線は、ディジタル・アナログ変換器の出力ピンにおける信号91、リゾルバの入力側における信号93、リゾルバの正弦出力側における信号95、リゾルバの余弦出力側における信号97及びAD変換器の同期入力側における信号99を示す。結局それぞれの遅延は、図示したように値Δtとして生じる。
【0040】
SYNC信号の制御もしくはソフトウェアの起動によって、アナログ・ディジタル変換器は反復的に、次のアナログ変換走査(Analog Conversion Scan)を開始する。アナログ・ディジダル変換器が並行して4つの入力信号の走査を許容できれば、リゾルバ信号を種々のやり方で読み取ることもできる。2つの入力信号を同時に読み取ることによって、マイクロコントローラのクロック周波数に比例する比較的高いリゾルバ周波数においても正確であることが保証される。さもなければ、並行操作は角加速度によって可変であった角誤りを惹起する可能性がある。
【0041】
2次リゾルバ信号のアナログ・ディジタル変換器への種々の伝送は、信号のインタコネクションに対する干渉信号を相当に補償する。何故ならばこれらの信号は同一の位相であるペア線接続部に結合され、大幅に相殺されるからである。
【0042】
正弦波及び余弦波のリゾルバ出力信号をその最大値の時点に検出することによって、信号は復調される。これは即座に信号sin(φ)及びcos(φ)を次式により形成する。
【0043】
【外1】
Figure 0004245132
【0044】
図9は角度監視の機能図である。入力側100,102は2つのリゾルバ信号を受信する。種々の処理素子は乗算器104,108、減算器106、加算機108、増幅器K110及びK116を備えた比例増幅器、積分器112,114及び算出されたそれぞれの角度Φの正弦関数及び余弦関数の生成部122,124である。したがって主関数は積分器及びPIコントローラの関数である。このセットアップは、回転子の目下の角度φと(図9における角度監視制御ループによって)算出された角度Φの差異を零に調整するよう努める。伝達関数は以下の通りである。
【0045】
F(s)=Φ(s)/φ(s)=K*(1+K*s)/(s+K*K*s+K)
ここで種々のパラメータは既述している。パラメータは個別の系統定数に応じて調整することができる。有利には、監視をマイクロコントローラにおけるソフトウェアにおいて完全に実行することができる。
【0046】
図10には、各々が本発明を実施する種々のサブシステムを備えた自動車が示されている。車両は簡潔に、車両ボディ130、前輪132、後輪134、メインエンジン148及びステアリングホイール136によって示されている。残りの構成素子及び機能部の大部分は簡潔にするために省略されている。すなわちそれらが単独である限りは、自動車の技術者及び自動車の種々のサブフィールドの技術者はこのような慣用の機能部を適宜設計する。
【0047】
ステアリングホイールのコラム138には、いわゆるパワーステアリングを実現するための電気式モータ140が設けられており、このパワーステアリングによりドライバに必要とされる労力が低減される。ステアリングのコラムの回転角度及び/又は角速度は、本発明による制御装置142において評価され、この評価に基づいて駆動モータ140への制御信号が生成される。
【0048】
メインエンジン148は動作中、冷却ループ149によって冷却されている。最適な燃費のために、冷却剤の流れは弁156によって制御され、この弁156自体は回転モータ154によって駆動される。エンジン140と同様に、モータ154の位置は本発明による装置によって評価され、フィードバック動作(明瞭性のために図示していない)のような別の制御を行う。
【0049】
横揺れを安定させるために、後輪134にはサスペンション機能部158が設けられており、また剛性やバイアス位置のような動作パラメータを有することもできる、これらの機能部の部品も包含している。このバイアス位置は、回転モータまたは最終的に回転運動を惹起する他の装置によって制御される。そのような回転位置及び/又はこの回転位置の一時的な差は本発明による装置160によって検出され、測定されたパラメータ値を上述の動作パラメータの制御のために使用することができる。
【0050】
本発明を実施する装置が備えられている別のサブシステムは、ここでは簡潔にするためにブロックとしてしか示していないが以下のものである。空気調節器144は種々の空気流及び/又は気温を調節するために弁146を使用する。弁146を駆動させる回転モータには、本発明による機能部が設けられている。チョーク制御機能部150にはバルブまたは回転モータによって制御される位置を有し、また本発明を実施する機能部が包含されている別の部品が設けられている。スタータジェネレータ152にはバルブまたは回転モータによって制御される位置を有し、また本発明を実施する機能部が包含されている別の部品が設けられている。
【0051】
上記においては本発明を種々の有利な実施形態に関連させて説明してきた。しかしながら、当業者はこの明細書を読むことによって種々の変形及び実施形態を認識するであろう。したがって、ここでの記述は本発明を制限するものではなく指示とみなすべきであり、また本発明の正当な範囲は請求項によってのみ規定されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】リゾルバ機能部の機能図である。
【図2】第1の原理によるリゾルバ出力信号の評価である。
【図3】タイマユニットを備えたマイクロコントローラにおける信号の生成である。
【図4】タイマモジュール及びリゾルバからの出力信号である。
【図5】パルス幅変調器ユニットを有するマイクロコントローラにおける信号の生成である。
【図6】パルス幅変調器ユニット及びリゾルバからの出力信号である。
【図7】ディジタル・アナログ変換器を有するマイクロコントローラにおける信号の生成である。
【図8】ディジタル・アナログ変換器及びリゾルバからの出力信号である。
【図9】角度監視の機能図である。
【図10】本発明による種々のサブシステムを備えた自動車である。
【符号の説明】
20 端子、 26 回転部、 28,30 検出コイル、 36 リゾルバ機能部、 38 励起機能部、 40,42,104,108 乗算器、 44,106 減算器、 46 角度モニタ、 48,50 関数発生器、 52,74,90 マイクロコントローラ、 54 出力ピン、 56 ローパスフィルタ、 58 バッファ、 60,62,64,66 出力接続部、 68 ディジタル・アナログ変換器、 70 クロック発生器ユニット、 71,73,75,77,79,81,83,85,87,89,91,93,95,97,99 信号、 72 タイマユニット、 92 ディジタル・アナログ変換器、100,102 入力側、 130 車両ボディ、 132 前輪、 134後輪、 136 ステアリングホイール、 138 コラム、 140 モータ、 142 制御装置、 144,146 空気制御機能部、 148 メインエンジン、 150 エンジンチョーク機能部、 152 スタータジェネレータ、 154,156 流体式冷却機能部、 158,160 回転制御機能部

Claims (9)

  1. モータ(140)の回転の配向を評価する装であって
    該回転の配向から導出された信号を出力するリゾルバ信号出力部が備えられているリゾルバ機能部を有し、
    前記リゾルバ信号を単一制御システム(52,74,90)にのみ供給する供給結合部を有し、
    前記制御システム(52,74,90)はトリガ用のトリガ出力部と、前記リゾルバ信号を評価するための評価信号を受信する評価入力側(60,62,64,66)とを備え、
    前記システムは、前記リゾルバ機能部からの少なくとも2つの出力信号を並行して受信(60,62,64,66)し、リゾルバ(36)に対する前記トリガ信号を供給する信号出力部(56,58)を有する、マイクロコントローラまたはディジタルシグナルプロセッサ(以下マイクロコントロータ)を構成し、
    トラッキングプロシージャの実行により前記リゾルバ出力信号を評価する評価ユニット(図2)がさらに設けられている、装置において、
    前記トラッキングプロシージャは、F ( ) =Φ ( ) /φ ( ) =K 1 *( 1+K 2 * ) ( 2 +K 1 * 2 * s+K 1 ) を基礎とし、ここでΦは算出された回転子角度であり、φは回転子の目下の角度であり、K 1 及びK 2 はフィルタパラメータであり、sは複素周波数である、ことを特徴とする装置。
  2. 前記マイクロコントローラ(52)は、前記2つの出力信号が供給されるアナログ・ディジタル変換器(68)を有する、請求項記載の装置。
  3. 前記リゾルバ信号のための評価機能部はトラッキング機能部(図2)を有する、請求項記載の装置。
  4. 前記マイクロコントローラは、マイクロコントローラ出力信号(56,58)を生成するタイマユニット(72)に案内されるクロック発生器ユニット(70)を有し、さらに該クロック発生器ユニット(70)と該タイマユニット(72)は共に前記アナログ・ディジタル変換器(68)に案内される、請求項記載の装置。
  5. 前記マイクロコントローラは、マイクロコントローラ出力信号(56,58)を生成するパルス幅変調器ユニット(76)に案内されるクロック発生器ユニット(70)を有し、さらに該クロック発生ユニット(70)と該パルス幅変調器ユニット(76)は共に前記アナログ・ディジタル変換器(68)に案内される、請求項記載の装置。
  6. 前記マイクロコントローラは、マイクロコントローラ出力信号(56,58)を生成するディジタル・アナログ変換器(92)に案内されるクロック発生器ユニット(70)を有し、該クロック発生ユニット(70)はさらに前記アナログ・ディジタル変換器(68)に案内される、請求項記載の装置。
  7. 前記マイクロコントローラ(52,74,90)には、さらに前記リゾルバ出力信号の位相ずれを補償する位相ずれ補償機能部が設けられている、請求項記載の装置。
  8. 前記アナログ・ディジタル変換器(68)は、前記リゾルバ出力信号に関する並行操作機能部として動作する、請求項記載の装置。
  9. 前記アナログ・ディジタル変換器(68)は、それぞれの信号インタコネクションに対する干渉信号を相殺する補正測度としてのリゾルバ出力信号に関する種々の処理を実行する、請求項記載の装置。
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